Назначение, состав и основные характеристики процессоров

Центральный процессор (далее для краткости – процессор) является основным вычислительным устройством ВМ, в задачу которого входит исполнение находящейся в памяти машины программы. Основные функциональные блоки (устройства) процессора – арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

АЛУ осуществляет функции арифметической и логической обработки информации. АЛУ в свою очередь представляет собой комплекс специализированных операционных устройств, каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических и логических операций с определенными типами данных из всего разнообразия операций и типов обрабатываемых данных, предусмотренных системой команд конкретной ВМ. При самом общем рассмотрении АЛУ образуют два вида операционных устройств. Это целочисленные операционные устройства и операционные устройства для обработки чисел в формате с плавающей запятой. В минимальном составе АЛУ содержит аппаратные компоненты, реализующие только арифметические операции сложения и вычитания чисел в формате с фиксированной запятой, а также основные логические операции и операции сдвига. Даже такой ограниченный состав АЛУ позволяет программными методами обеспечить выполнение всех остальных арифметических и логических операций для любых форматов представления информации. Однако более высокой скорости вычислений добиваются включением в состав АЛУ дополнительных аппаратных компонентов, специализированных на выполнении таких операций. По мере совершенствования технических и технологических характеристик процессоров количество специализированных аппаратных компонентов в составе АЛУ непрерывно увеличивается (более подробные сведения об операциях, реализуемых такими компонентами, см. далее в подразделе 2.2).

УУ выполняет функции управления вычислительным процессом и осуществляет автоматическое исполнение программы, обеспечивая для этого следующие основные действия: извлечение из памяти очередных команд, их расшифровку и преобразование в последовательность стандартных элементарных операций, занесение в АЛУ исходных данных, сохранение полученных в АЛУ результатов. УУ обеспечивает синхронизацию работы процессора, оперативной памяти, а также других устройств ВМ.

Помимо АЛУ и УУ процессор содержит набор устройств локальной памяти процессора – регистры памяти. Под регистром памяти обычно понимается устройство для временного хранения данных ограниченного размера. В процессорах регистры используются для хранения данных, необходимых для выполнения текущих операций. Чаще всего регистр имеет тот же размер, что и машинное слово, но может иметь и другую длину, равную целому числу байт. Регистры служат для выполнения определенных функций. Существуют регистры команд, на которые из оперативной памяти вызываются исполняемые команды; регистры адреса, содержимое которых соответствует некоторому адресу (адресу команды или адресу операнда, указанного в команде); регистры, на которые вызываются операнды; регистры, исполняющие роль счетчиков, стеков и т. п.

В состав современных процессоров, как правило, входит некоторый набор дополнительных буферных запоминающих устройств. Для наименования таких устройств применяется ставший уже традиционным термин кэш-память или просто кэш (от английского сло­ва cache – убежище, тайник). Эту кэш-память (у которой быстродействие выше, чем у основной памяти) процессор использует для временного (промежуточного) хранения текущей и наиболее часто востребуемой информации, что позволяет снизить количество обращений процессора непосредственно к основной памяти и в целом повысить производительность процессора. Механизм использования кэш-памяти обычно называют кэшированием.Степень повышения производительности процессора за счет использования кэш-памяти в существенной мере определяется оптимальным для данного процессора объемом кэш-памяти и эффективностью применяемого способа кэширования. Более подробно о кэш-памяти процессора и способах ее наиболее эффективного использования изложено в специальном подразделе 3.4.

Главным показателем эффективности работы и технического совершенства процессора является его производительность. Зависит она от параметров самого процессора (точнее говоря так называемого «ядра процессора» (или «процессорного ядра»), обычно именуемого «кристаллом»), подсистемы памяти, процессорной шины. Производительность процессорного ядра определяется тремя основными параметрами:

1) разрядностью его регистров;

2) тактовой частотой работы процессора;

3) количеством операций (инструкций), выполняемых за один такт работы процессора (IPC – Instruction Per Cycle).

Разрядность регистров определяет диапазон допустимых значений операндов (длину слова). Чем больше разрядность регистров процессора, тем более длинное слово (или большая порция данных) обрабатывается за один такт работы процессора и тем больше объем прямоадресуемой памяти. Исторически по мере развития процессоров происходил переход от первых 4-разрядных микропроцессоров к 8-разрядным и далее к 16- и 32-разрядным. Основной проблемой перехода к более высокой разрядности процессоров на сегодняшний день являются ограничения программного уровня. Так, для массового перехода от 32-разрядных процессоров к 64-разрядным необходима разработка практически нового 64-разрядного программного обеспечения. Однако следует отметить, что в настоящее время для 64-разрядных процессоров предложены решения постепенной миграции от 32-разрядных к 64-разрядным программным приложениям.

Увеличение тактовой частоты работы процессора – наиболее прямолинейный способ повышения производительности процессоров. С одной стороны рост тактовой частоты ограничен размерами элементарных функциональных компонентов процессорного ядра – транзисторов (чем меньше размер транзистора, тем на более высокой частоте он способен работать). С другой стороны современные процессоры включают в себя миллионы транзисторов, образующих сложные электронные схемы, что приводит к увеличению времени прохождения сигналов в процессоре. Такие «схемные задержки» тоже лимитируют максимально возможные значение тактовой частоты работы процессора.

Для увеличения тактовой частоты работы процессоров постоянно совершенствуются технические и технологические решения, применяемые при производстве процессоров. Одним из основных путей в этом направлении является снижение так называемых проектных норм (параметров) технологического процесса, определяющих размеры формируемых на полупроводниковой подложке элементов – транзисторов и межсоединений. За последние годы сменилось несколько поколений техпроцесса: 0,8 мкм – 0,5 мкм – 0,35 мкм – 0,25 мкм – 0,18 мкм – 0,13 мкм – 0,09 мкм. Каждый, как видно из приведенного ряда, уменьшает размеры элементов примерно на 30%, а их площадь (квадрат линейного размера) – примерно в 2 раза. Соответственно, плотность размещения элементов с каждым новым техпроцессом удваивается, что позволяет производить более сложные (с большим числом элементов) и более дешевые (меньшая площадь процессорного кристалла) процессоры. Другими продуктивными путями улучшения характеристик процессоров стало применение в их производстве новых материалов и соответствующих технологий, таких как использование в качестве проводящих областей и внутриядерных межсоединений меди вместо алюминия(«медная» технология), использование вместо двуокиси кремния специальных диэлектриков с низкой проницаемостью (технология «Low-K-диэлектриков»), применение для уменьшения емкости транзисторовспециального изолирующего слоя между кремниевой подложкой и слоем кремния, в котором формируются транзисторы (технология «кремний-на-изоляторе»), изменение параметров кристаллической решетки кремния путем размещения слоя кремния на специальном полупроводниковом слое (подложке), имеющим большие межатомные расстояния (технология «растянутого кремния»). Суть тех­нологии «растянутого» (напряженного) кремния заключается в том, что кристаллическая решетка подложки «растягивается» та­ким образом, чтобы атомы разошлись на большее рас­стояние. Подстраиваясь под кристаллическую решетку подложки, атомы кремния «раздвигаются» на большее расстояние. В результате сопротивление движению элек­тронов через кристаллическую решетку уменьшается, транзисторы могут пропускать больший ток, а следова­тельно и быстрее срабатывать, выделяя при этом мень­ше тепла. Эти решения позволили добиться повышения тактовой частоты, на которой способны работать процессоры, а также снизить удельные тепловыделения (за счет уменьшения потерь на перезарядку емкости транзисторов, уменьшения резистивных потерь в межсоединениях и снижения напряжения питания).

Увеличение количества операций (инструкций), выполняемых за один такт работы процессора (параметр IPC), достигается путем эффективного кэширования (см. подраздел 3.4) исовершенствования архитектурного построения процессора.